Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB tt

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN MINH TÚ ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB Chun ngành: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn San Phản biện 1: ……………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU UWB công nghệ vô tuyến tầm ngắn, bổ xung cho công nghệ vô tuyến tầm dài khác Wi-Fi, WiMAX thông tin tế bào vùng rộng Việc kết hợp phổ rộng công suất thấp cải thiện tốc độ truyền dẫn cao giảm nhiễu đến phổ vô tuyến khác Hiện ứng dụng định vị, đo lường trời (outdoor) thường dựa vào thệ thống định vị toàn cầu (GPS), nhiên với ứng dụng nhà hệ thống định vị tồn cầu khơng tin cậy cho sai số q lớn, cơng nghệ UWB nghiên cứu để định vị ứng dụng nhà thông qua việc sử dụng liệu chuyển tiếp từ thiết bị tới thiết bị khác vùng gần (từ tới 10 mét) [5], [9], [10] Thiết bị thông tin UWB nói chung phép hoạt động số dải tần khoảng từ GHz đến 10.6 GHz dành cho công nghệ UWB với giới hạn mật độ công suất phát lớn -41,3 dBm/MHz Ngồi thiết bị UWB có khả sử dụng công nghệ giảm nhiễu DAA (xác định tránh), điều khiển kênh nên giới hạn nhiễu trùng tần số với thiết bị khác [4],[5] Công nghệ UWB cho phép chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, giá thành rẻ, tiêu hao lượng gần khơng bị tác động nhiễu đa đường (multipath) nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference : ISI) Điều phù hợp với ứng dụng mạng phạm vi cá nhân không dây (WPAN) mạng cảm biến không dây (WSN) hệ thống định vị [5],[9], [10] Đặc điểm truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng (UWB) là: Tín hiệu truyền mơi trường kênh vơ tuyến có độ rộng xung hẹp, gọi vô tuyến xung kim (IR), phổ tần rộng lượng nhỏ, dung lượng lớn, đồng hoạt động với hệ thống vô tuyến hành vùng phổ tần, khả truy cập phổ tần động, khả đề kháng với kênh pha đinh đa đường, khả định vị xác cao Vì vậy, truyền thơng vô tuyến UWB coi giải pháp sử dụng hiệu triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan Dẫn đến việc xem xét, nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý (tạo tín hiệu, định dạng xung tín hiệu, kênh mơ hình kênh, tính chất phân tập thời gian tín hiệu thu cấu trúc máy thu,v.v ) hệ thống UWB có đặc trưng riêng tổng quát Do đó, phù hợp với ứng dụng truyền thơng vơ tuyến mơ hình kênh nhà vùng phủ sóng hẹp Từ đặc điểm này, dẫn đến thành cơng, tính hiệu vơ tuyến UWB đã, đang, tiếp tục khẳng định lĩnh vực như: vơ tuyến hóa thiết bị cá nhân, lĩnh vực y tế, lĩnh vực định vị,v.v…, điển mạng cảm biến khơng dây, mạng tùy biến không dây, mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN), Radar,v.v… Đặc biệt là: tiềm năng, khả ứng dụng, tính khả thi mạng vơ tuyến hệ sau (điển mạng vơ tuyến khả thi việc giải thách thức dạng hợp tác cảm nhận phát phổ tần trống, truy nhập chia sẻ phổ tần động,v.v ) việc vi mạng hóa mơi trường truyền sóng vơ tuyến, khách sạn hóa trạm thu phát sóng vơ tuyến, truyền thơng xanh,v.v…Tất cả, nhằm khai thác hiệu triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan hiệu tài nguyên lượng, khai thác triệt để lực tiềm vốn có phần tử nút mạng [5] Luận văn thực đề tài “Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB” với trọng tâm phân tích cách chắt lọc thuật toán cho việc ước lượng khoảng cách, định vị trí số giao thức điển hình dạng phân tích, mơ nhằm làm sáng tỏ tính ưu việt tiềm năng, khả ứng dụng cơng nghệ UWB Theo đó, luận văn tổ chức trình bày chương sau: Chương 1: Tổng quan vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Định nghĩa tín hiệu hệ thống vơ tuyến UWB; Mơ hình hệ thống truyền thơng vơ tuyến UWB; Đặc điểm tín hiệu hệ thống truyền thơng UWB; Các ứng dụng điển hình vơ tuyến UWB Chương 2: Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Chương 3: Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình vô tuyến băng siêu rộng UWB thực hiện: Mô hình kịch mơ phỏng; Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 Mở đầu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide Band) phát triển từ năm 1960, hệ thống thông tin quân UWB gọi vơ tuyến khơng sóng mang, vô tuyến dạng xung, vô tuyến xung kim IR, vô tuyến băng gốc sử dụng phương pháp phát trực tiếp xung hẹp Hiện tại, công nghệ nghiên cứu chủ yếu cho ứng dụng thông tin vô tuyến cự ly ngắn (vùng phủ hẹp), với tốc độ truyền dẫn cao (lên tới 500 Mbit/s), đặc biệt mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN) Hiện tại, Viện thiết kế điện điện tử (IEEE) tổ chức tiêu chuẩn việc đề xuất tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vơ tuyến UWB cho hệ thống WPAN Ngồi ra, có nhiều ứng dụng khác UWB, Radar, thông tin xuyên tường, mạng cảm biến, định vị với độ xác cao, v.v…[4], [6] Với ưu điểm không cần giấy phép phổ tần, tốc độ truyền dẫn cao, công suất phát thấp, UWB phương tiện kết nối hữu hiệu thiết bị ngoại hồi đồng xác nút tham chiếu nút đích Đặc biệt là, dành riêng cho mạng hạ tầng sở, dễ dàng có trì việc phối hợp nút hạ tầng Với lý này, kỹ thuật định vị Hyperbolic khuyến nghị cho mục đích định vị mạng tế bào, trạm gốc đóng vai trò nút tham chiếu cho phép nút di động nhận vị trí 2.4.3 Ước tính vị trí theo thuật tốn sai số bình phương nhỏ LSE Ảnh hưởng sai số ước tính khoảng cách lên tính xác định vị giảm bớt cách chấp nhận thuật toán tối thiểu hóa sai số bình phương nhỏ LSE (Least Square Error) Với mục đích này, luận văn áp dụng giải pháp LSE vào mục đích luận văn Muốn vậy, ta viết lại hệ phương trình (2.23) dạng tập phương trình tuyến tính POS ( Ni ) , [8], [9], : 2.5 Giao thức định vị  Các giao thức neo cho rằng, tập nút mạng biết vị trí chúng cách tuyệt đối tương đối, bắt đầu vận hành mạng Một cách điển hình, nút tập thừa nhận vai trò nút tham chiếu hay nút neo (có vai trò nút tham chiếu), cho phép tất nút lại tính tốn vị trí chúng 16  Các giao thức không neo, sử dụng tất nút vị trí khởi đầu khơng biết trước Trong trường hợp này, giao thức trước tiên phải xác định hệ tham chiếu chung, sau tính tốn vị trí tương đối nút hệ 2.6 Kết luận chương Chương này, luận văn nghiên cứu trình bày tóm tắt nội dung định vị, điển hình như: Ước lượng tham số định vị trí; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS, góc đến AOA, thời gian đến TOA, vi sai thời gian đến TDOA, kỹ thuật định vị trí hình cầu; Định vị trí hình hyperbolic, Ước tính vị trí theo thuật tốn LSE Cuối là, giao thức định vị Đặc biệt là, thông qua kỹ thuật, thuật tốn trình bày chương này, mơ hình hóa Matlab hóa chương 3, kết tính tốn mơ làm sáng tỏ tính ưu việt độ xác việc định vị hệ thống UWB 17 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂN HÌNH TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 3.1 Mở đầu Trên sở phương pháp định vị nghiên cứu trình bày chương như: Ước lượng tham số định vị trí; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS, góc đến AOA, thời gian đến TOA, vi sai thời gian đến TDOA, kỹ thuật định vị trí hình cầu; Định vị trí hình hyperbolic, Ước tính vị trí theo thuật toán LSE Chương này, luận văn thực mơ hình hóa Matlab hóa nhằm làm sáng tỏ tính ưu việt độ xác việc định vị hệ thống UWB sở kết tính tốn kết mơ 3.2 Mơ hình kịch mơ Mơ hình mơ cho việc định vị hệ thống truyền thông UWB cho hình 3.1 Trong đó, tạo tín hiệu phía phát, thu xử tín hiệu phía thu đảm bảo tham số đặc trưng tín hiệu hệ thống UWB, cụ thể như: tín hiệu UWB nhảy thời gian TH-UWB, tín hiệu UWB chỗi trực tiếp DS-UWB, tín hiệu UWB đa băng tần MB-UWB, đó, với TH-UWB DS-UWB thực nguyên lý điều chế PPM PAM 3.3 Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình 3.3.1 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách Chương trình Matlab thực tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách theo biểu thức (2.7) kịch truyền sóng mơ hình kênh IEEE 802.15.4a tổng hợp cho Sim_UWB 3.01 (Phụ lục 1A) Thiết trị cho tham số đặc trưng: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 18 Bảng 1: Các tham số kênh mơi trường kênh truyền sóng UWB Mơ hình kênh Mơi trường Số mũ suy hao, Độ lệch chuẩn  n che chắn,  sh  CM1 Trong nhà riêng, LOS 1,79 2,22 CM2 Trong nhà riêng, NLOS 4,58 3,61 CM4 Trong văn phòng, LOS 1,63 1,90 CM4 Trong văn phòng, NLOS 3,07 3,90 Kết là, hình 3.2 biểu diễn độ lệch chuẩn nhỏ (giới hạn dưới) ước tính khoảng cách dˆ theo khoảng cách nút d môi trường khác phù hợp với mơ hình kênh IEEE 802.15.4a với số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Cũng cần lưu ý rằng, mơi trường truyền sóng khơng trực xạ NLOS nhà riêng có giới hạn số mũ tổn hao đường truyền lớn Trong trường hợp, độ lệch chuẩn sai số không 1m khoảng cách hai nút lớn 6m Hay nói cách khác, ước tính khoảng cách dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS khơng phải phương pháp có độ xác cao hệ thống UWB Hình 1: Độ lệch chuẩn nhỏ ước tính khoảng cách dựa vào RSS cách mơ hình kênh khác 19 3.3.2 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA Kết là, mơ Sim_UWB 3.02 biểu diễn hình 3.3, cho thấy SNR tăng giảm độ rộng xung tín hiệu UWB (nghĩa là, tăng độ rộng băng tần), giới hạn hệ thống giảm (tính xác việc ước tính góc đến AOA tăng lên) Hình 2: Biểu diễn giới hạn CRLB ước tính AOA theo SNR giá trị khác độ rộng xung tín hiệu UWB (tương đương, băng thông hiệu dụng khác nhau): dàn o anten loại ULA phần tử cáchđều 5cm góc tới   45 3.4 Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị Giải pháp cải thiện tính xác định vị sở thuật tốn sai số bình phương nhỏ LSE Trong phần này, luận văn ước lượng tính xác LSE cho toán định nghĩa hệ phương trình (2.28) hàm cấp độ sai số trình đo cự ly số lượng nút tham chiếu Luận văn phân tích tốn khơng gian hai chiều phép đồ thị hóa kết Sai số mơ hình hóa giá trị xác rút từ q trình Gausơ trắng có trung bình 20 Hình 3: a) Các nút tạo ban đầu; b) Ước tính vị trí cho nút đích (Hình vng: nút tham chiếu; hình tròn: nút khác; hình sao: vị trí ước tính nút đích; hình tam giác: vị trí hiệu dụng nút đích) 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Luận văn nghiên cứu trình bày: Tổng quan vơ tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Định nghĩa tín hiệu hệ thống vơ tuyến UWB; Mơ hình hệ thống truyền thông vô tuyến UWB; Đặc điểm tín hiệu hệ thống truyền thơng UWB; Các ứng dụng điển hình vơ tuyến UWB Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương phápđịnh vị điển hình vơ tuyến băng siêu rộng UWB, tiến hành: Mơ hình kịch mơ phỏng; Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị Các kết quả, phân tích, tính tốn, mơ hiệu phương pháp định vị vị trí điển hình cho tính ưu việt tiềm năng, khả ứng dụng công nghệ UWB  Kiến nghị: Công nghệ vô tuyến UWB công nghệ nên nhiều phạm vi ứng dụng tiếp tục nghiên cứu lý thuyết kiểm nghiệm thực tế  Hướng nghiên cứu Trên vấn đề mà luận văn nghiên cứu định vị vô tuyến UWB Đề tài chưa đề cập đến vấn đề như: Truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB đa người dùng, thu xử lý tín hiệu UWB, kênh truyền sóng vô tuyến – kênh UWB, mật độ công suất PSD định dạng tín hiệu UWB Đó vấn đề mà nghiên cứu, phân tích kỹ điểm hay hấp dẫn 23 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Đa truy nhập vô tuyến”, giảng, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 2013 [2] Nguyễn Viết Đảm cộng tác viên, “Xây dựng chương trình mơ kênh truyền sóng UWB”, đề tài NCKH, mã 01-HV-2010, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 2010 [3] Dr Proakis, John G, “Digital Comunications”, McGraw-Hill, 2000 [4] Maria-Gabriella Di Benedetto and other, “UWB Communication Systems: A Comprehensive Overview”, Hindawi Publishing Corporation, 2010 [5] Boris I Lembrikov, “Novel Applications of the UWB Technologies”, Second Edition, Published by ExLi4EvA, ITexLi, 2016 [6] Ian Oppermann, Matti Hamalainen and Jari Iinatti, “UWB Theory and Applications”, John Wiley & Sons Ltd, 2004 [7] M Ghavami, L B Michael, R Kohno, “Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering”, John Wiley & Sons Ltd, 2004 [8] Maria-Gabriella Di Benedetto & Guerino Giancola, “Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentials”, Prentice Hall, 2004 [9] Zafer Sahinoglu, Sinan Gezici & Ismail Guvenc, “Ultra Wideband Positioning Systems” Cambridge University Press, 2008 [10] Rolf Kraemer & Marcos D.Katz, “Short-range Wireless Communications”, John Wiley & Sons, 2009 [11] Shahriar Emami, “UWB Communication Systems: Conventional and 60 GHz, Principles, Design and Standards”, Springer New York Heidelberg Dordrecht London, 2013 [12] Matti Hämäläinen Jari Iinatti, “Wireless UWB Body Area Networks Using the IEEE802.15.4-2011”, Elsevier Ltd, 2014 [13] A.A.M Saleh, R.A Valenzuela, “A statistical model for indoor multipath propagation”, IEEE J Select Areas Commun 5(2), 128–137, 1987 [14] A.F Molisch, J.R Foerster., M Pendergrass, “Channel models for ultra wideband personal area networks”, IEEE Pers Commun Mag 10, 14–21, 2003 [15] I Kovacs et al., “Enhanced UWB radio channel model for short range communication scenarios including user dynamics”, 14th IST Mobile and Wireless Communications Summit, 2005 [16] Donlan, B.M., McKinstry, D.R and Buehrer, R.M “The UWB indoor channel: Large and small scale modeling”, IEEE Trans on Wireless Commun., (10), 2863–73, 2006 [17] A.F Molisch, J.R Foerster., M Pendergrass, “Channel models for ultra wideband personal area networks”, IEEE Pers Commun Mag 10, 14–21, 2003 24 [18] A.F Molisch, K Balakrishnan, C.C Chong, D Cassioli, S Emami, A Fort, J Karedal, J Kunisch, H.Schantz, K Siwiak., M.Z Win, “A comprehensive model for ultra wideband propagation channels”, IEEE Trans Antennas Prop, 3151–3166, 2006 [19] A Alarifi, A Al-Salman, M Alsaleh, A Alnafessah, S Al-Hadhrami, M A AlAmmar, and H S Al-Khalifa, “Ultra wideband indoor positioning technologies: Analysis and recent advances,” Sensors, vol 16, no 5, p 707, 2016 [20] B Jachimczyk, D Dziak, and W J Kulesza, “Customization of uwb 3d-rtls based on the new uncertainty model of the aoa ranging technique,” Sensors, vol 17, no 2, 2017 ... điển hình vơ tuyến UWB Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Phân tích,... phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 Mở đầu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide... thơng vơ tuyến UWB; Đặc điểm tín hiệu hệ thống truyền thơng UWB; Các ứng dụng điển hình vơ tuyến UWB Chương 2: Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Ước lượng tham số định vị trí; Phương